Цифровой фурье-преобразователь

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ ССС ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫ ОПИСАНИ К АВТОРСКОМУ ТИЙИЗОБРЕТЕНИЯ(71) Ленинградский ордена Ленина электротехнический институт имени В.И. Ульянова(Ленина )(54)(57) 1. ЦИФРОВОЙ ФУРЬЕ-ПРЕОБ- РАЗОВАТЕЛЬ, содержащий квантователь вход которого является входом цифрового Фурье-преобразователя, К последовательно соединенных эле- . ментов задержки (К - число коэффициентов преобразования), К элементов И, выходы которых подключены к входам блока счетчиков, коммутатор, блок адресации, усреднитель, блок памяти, выход которого подключен к первому информационному входу усреднителя, сумматор по модулю два, блок синхронизации, первый выход которого подключен к, синхронизирующему входу квантователя и информационному входу первого элемента задержки, второй выход блока синхронизации подклю чен к синхронизирующим входам элементов задержки, третин выход блока синхронизации подключен к первому синхронизирующему входу блока адресации, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью упрощения Фурье-преобразователя, он содержит регистр отсчета, блок преобразования кода в частоту, элемент ИЛИ, К триггеров, причем выход квантователя подключен к входу регистра отсчета, знаковый выход регистра отсчета подключен к первому входу элемента ИЛИ, информационный выход регистра отсчета подключен к входу блока преобразования кода в частО- ту, выход которого подключен к пер" вым входам элементов И, выходы элементов задержки подключены к нулевым входам соответствующих триггеров, выходы которых подключенывторым входам соответствующих лементов И, выходы блока счетчиков ерез коммутатор подключены к второму информационному входу усреднителя, аДресный выход блока адресации подключен к управляющему входу коммутатора, знаковый выход блока адресации и выход элемента ИЛИ через сумматор.по модулю два подключены к управляющему входу усреднителя, выход которого подключен к входу блока .памяти, выход бло-, ка памяти является выходом цифрового Фурье-преобразователя, первый выход блока синхронизации подключ к второму входу элемента ИЛИ, к второму синхронизирующему входу блока адрЕсации и к еДИНИЧНыМ Входам триггеров.2. Цифровой фурье-преобразователь поп 1, отличающийся тем, что блок адресации содержит счетчик, три сумматора, вычитатель, дешиФратор, схему сравнения и регистр констант, причем синхроиизирующий вход первого сумматора и вход счетчика являются соответственно.первым и вторым синхронизирующими входами блока адресации, выход счетчика подключен к первому информационному входу первого сумматора, выход которого подключен к первым входам схемы сравнения и вычитателя, первые информационные входы второго и третьего сумматоров подключены к.соответствующим выходам регистра констант, выходы, второго и третьего сумматоров подключены.к вторым входам схемы сравнения и вычитателя соответственно, выход1043 ббЗ каждого сумматора подключен к еговторому информационному входу,выхОд схемы сравнения является знаковым выходом блока адресации иподключен к управляющим входам втоИзобретение относится к автомати-. ке и вычислительной техниКе, предназначено для автоматизации исследо" ваний случайных процессов в реальном масштабе времени с целью использования в системах распознавания и принятия решений, например в биокибернетике, океанологии.Известен Фурье-преобразователь, состоящий из последовательно соединенных квантователя, амплитудно- импульсного преобразователя, ряда идентичных секций задержки, выходы которых через соответствующие элементы совпадения, ключевые умножители и коммутатор соединены со входами накопителя, а вторые входы. ключевых умножителей соединены с выходом генератора базисной (гармонической) функции, вторые входы элементов совпадения соединены с соответствующими выходами формирователя импульсной последовательности 1 3.Однако такая структура приводит к ряду ограничений; верхняя частота анализа не превышает единиц кГц из-за зависимости времени обработки от количества вычисляемых коэффици- ентов Фурье, количество элементов совпадения, ключей и логических связей велико, необходимости наличия нескольких типов генераторов и импульсных преобразователей.Наиболее близким по техническому решению к изобретению является цифровой фурье-преобразователь, содержащий квантователь, последовательный ряд элементов задержки, умно- жители, постоянное запоминающее устройство, арифметический блок (содержащий сумматоры кодов, сумматор по модулю два и регистры), регистр числа, блок опроса, блок счетчиков, элементы И, коммутаторзаписи и коммутатор считывания 2 );Недостатком известного Фурье- преобразователя является его сложностьЦелью изобретения является упрощение цифрового Фурье-преобразователя,Поставленная цель достигаетсятем, что цифровой Фурье-преобразователь, содержащий квантователь,рого й третьего сумматоров, выходвычитателя подключен к входу дешифратора, выход которого являетсяадресным выходом блока адресации.Кроме того, блок адресации содержит счетчик, три суячатора, вычитатель, дешифратор, схему сравнения и регистр констант, причемсинхрониэирукщий вход первого сумматора и вход счетчика являютсясоответственно первым и вторымсинхронизирующими входами блока.адресации, выход счетчика подключен к первому информационному входу первого сумматора, выход которого подключен к первым входамсхемы сравнения и вычитателя, первые информационные входы второгои третьего сумматоров подключенык соответствующим выходам регистра констант, выходы второго и третьего сумматоров подключены ковторым входам схемы сравнения ивычитателя соответственно, выход,каждого сумматора подключен к еговторому информационному входу, выход схемы сравнения является знаковым выходом блока адресации и подключен к управляющим входам второго и третьего сумматоров, выходвычитателя подключен ко входу дешиФратора, выход которого являет- .ся адресным выходом блока адресацииНа фиг. 1 представлена функциональная схема цифрового Фурье-преобразователяр на Фиг. 2 - функциональная схема блока адресации.Цифровой фурье-преобразовательсодержит квантователь 1, регистр2 отсчета, блок 3 преобразованиякода в частоту, элемент ИЛИ 4,элемент И 5, блок 6 счетчиков,коммутатор 7, усреднитель 8, блок 9памяти, элементы 10 задержки,триггеры 11, блок 12 синхронизации, блок 13 адресации и сумматор14 по модулю два.Блок адресации состоит из счетчика, регистра 16 констант,сумматоров 17-19, схемы 20 сравнения, вычитателя 21 и дешифратора 22,. Цифровой фурье-преобразовательработает следующим образом.Исследуемый случайный сигналХ(й) подается на вход квантователя 1 и тактовыми и импульсами с.выхода блока 12 синхронизациипреобразуется в дискретную формуХи й 1). При получении первогоотсчета Х(1 В 1) в регистре 2фиксируется знак отсчета Ьо(Х 1)И МОДУЛЬ ( Х 11: знаковый импульсчерез элемейт ИЛИ 4 подается на. вход сумматора 14 по модулю два,задавая знак второго слагаемогов усреднителе 8. У; = у; .,+(- 1) х.1х К и, 1 В блоке 3 ксДХ пРеобРазУетася в поток импульсов соответствующей частоты 1:1, которые поступаютна первые входы ряда элементовИ 5.0-5.М.Одновременно этот же (ие 1) им-,пульс с выхода блока 12 синхронизации поступает на вход первого.элемента 10 задержки, а также устанавливает одновременно все триггеры 11 в начальное состояние, прикотором первые входы элементов И 5,открываются для прохождения потокаимпульсов Е на входы блока б счетчиков,10 При этом поступающие со второговыхода блока 12 синхронизации на управляющий вход секций задержки 10тактирующие импульсы продвигают"одиночный импульс (и 1) по цепочке 15 элементов задержки, в результате чего этот импульс поочередно поступает с выхода элементов задержки10.М - 10.(М) -- 10.1 - 10.0,переводя поочередно соответствую щие триггеры 11 М - 11.(М)11.1 - 11.0 в нулевое состояние, вследствие чего поочередно зап.рещается прохождение потока импульсов Е 1 через элементы И 5 на входы 25 соответствующих счетчиков блока б.Задержка сигнала в 1-ом элементе задержки пропорциональна значению 1-го отсчета базисной функции на четверти периода ее изменеТек как частота импульсов 1:пропорциональна амплитуде Х 1, то Вкаждом из 1 счетчиков сформйруетсякод 61;,пропорциональныи произведениюотсчета Х(1 аф).на один из -коэфЗ 5 фйциентов четверти периода базис"ной Сов -функции: В,.:К(ИИсогЛв, :О( - -),1Ргде К - количество коэффициентов 40 Фурье;Ь - шаг отсчетов Ссв -функции;масштабный коэффициент.После этого по тактовым крмандам 45 с третьего выхода блока 12 синхронизации в блоке 13 адресации начинается формирование номеров адресов для считывания ряда К-кодовпроизведений 81,из блока б счетчи ков: через первый вход усреднителя8 ряд кодов поступает в соответствующие ячейки(1,2,3 К/4) блока. 9 памяти.(так как перед первым циклом в блоке 9 памяти не было на коплено информации, то на второйвход усреднителя 8 коды пока непоступают), После считывания кодас последнего из К/4 счетчиков блока б из блока 13 адресации на вход 60 сумматора 14 по модулю два поступает. импульс и изменяет состояниеего знакозадающего выхода для управления режимом усреднения усреднителя 8: ряд кодов теперь поступает 5в обратном порядке ( - 1,( -- 112 1)и усредняется с отрицательным знаком (в соответствии со знаком Ссв -функции на второй четверти периода), т.е.:к .( зку.:у. В., -с -1-1 К М,-14Работа блока 13 в каждом г.-омцикле обработки производится аналогичным образом,От блока 12 синхронизации и-йимпульс одновременно подается наУправляющий вход квантователя 1 ина вход блока 13 опроса: счетчик 15производит счет этих тактовых импульсов, причем номер импульса и,задает "шаг" спроса последовательности счетчиков в блоке б. Этот кодфшага" и с выхода счетчика 15 подается на второй вход накапливающего сумматора 17 и при каждой 1-оймикрокоманде "сложение" в нем осуществляется суммирование кода ис предыдушим кодом и( 1-1), накопленным в сумматоре 17. Новая .суммаАВ = и + (и(1-1 = и 1 с выходасумматора 17 подается на первыйвход схемы 20 сравнения,Одновременно с этими преобразованиями ко второму входу схемы 20сравнения подключен код числа К/4,считываемый предварительно из регистра 16 в накапливающий сумматор18, При каждом 1-ом командном импульсе в схеме 20 сравнения проверяется выполнение соотношенияк4:н ( - .В 4При нарушении этого соотношениясхема 20 сравнения вырабатывает импульс, являющийся микрокомандой"Изменение знака" для сумматора 14по модулю два, на выходе которогопоявляется потенциал, соответствующий, например, знаку отрицательногополупериода Соз -функции на входеусреднителя 8, Этот импульс являет.ся также микрокомандой "Сложение"для сумматоров 18 и 19, в которыхкрды суммируются с предыдущими кодами, считанными с соответствующихвыходов регистра 16 (соответственнокод К/4 и код К/2) . В результатеэтого на выходе вычитателя 21сформируется код адреса опросаК- Р 21 , 1 = 0 1 К - /,а схема 20 сравнения задает закон изменения знаков в усреднителе В через сумматор 14 по модулю два". в усреднителе 8 будут изменяться знаки, соответствующие номеру опрашиваемого счетчика в блоке б по следующему соотношению:предыдущий знак: прии 11- -(Р) -Гк к 12 фгизмененный знак:1 м- -(р) -Гк к 1г 5 п 6.= Дешифратор 22 преобразует код Ав соответствующий импульс опроса определенного .счетчика в блоке б, т,е.,через соответствующий ключ коммутатора 7 производится. считывание кода из счетчика с соответствующимномером и подача его на вход усреднителя 8.15После 1 К микрокоманд во всехК ячейках блока 9 памяти будет накоплен результат обработки в и-омцикле, после чего блоки Фурье-преобразователя подготовлены для осуо ществления преобразований (Ф 1)-гоцикла,Так, при втором цикле (и = 2)преобразования осуществляютсяследующим образом.25 По и = 2 импульсу от блока 12синхронизациии в квантователе 1 фор.мируется отсчет Х (2 аС) входногосигнала, который поступает в регистр 2. Выделенный знак этогоотсчета поступает через элементИЛИ 4 на вход начальной установкизнака в сумматоре 14 по модулю два(т.е. операции "Сложение" или "Вы,. читание" в усреднителе 8 при первых К/4 тактах усреднения), В блоке 3 преобразования формируютсяимпульсы частоты Г, пропорциональной амплитуде Х (2 д 1), которыепоступают через элементы И 5 навходы блока б счетчиков.После сдвига одиночного импульса и на выход элемента задержки10 .0 прекращается формирование произведений 9 2; . Начинается их считывание в усреднитель 8 при помо 45 щи блока 13 адресации, аналогичноописанной последовательности, нос "шагом" опроса д 1 = и 2, т.еопраыивая счетчики в блоке б сномерами 1 = 0,2,4, а после усреднения результат, как и в любомцикле, записывается в последова-тельность ячеек 0 = 1,2,3 доК-ой в блоке 9 памяти.После К-го цикла обработки вход 55 ного сигнала в блоке 9 памяти накапливается сумма, описываемаяследующим выражением:4( д 1) =1 Е:.(-1) "Е: 6 хГРх д(Е - иР д Е),где р - .номер полупериода базиснойСов -функции.Предлагаемая конструкция характеризуется небольшим количеством65 (несколько десятков) элементов Ивместо нескольких сотен в известномустройстве, а вместо сложньи арифметического блока и генераторов гармонических функция использует ся усреднитель и ряд элементов задержки.1043663 Составитель В. БайковРедактор Н. Егорова Техред Т,фанта Корректор Л,Бокшан Зака ПП "Патент", г. Ужгород, ул . Проектная, 4 фил 7339/52 Тираж 70 ВНИИПИ Государственногопо делам изобретений 13035, Москва, )Лр Рау Подписноеомитета СССРоткрытийкая наб., д. 4/5